Budowę prototypu ukończono 9 listopada 1936 roku, po czym samolot w częściach przewieziono na Lotnisko Centralne w Moskwie i zmontowano. 23 grudnia (z ponad dziewięciomiesięcznym opóźnieniem) otrzymano silniki rzędowe AM-34FRN. Rano 27 grudnia 1936 roku szef pilotów oblatywaczy CAGI Michaił Gromow odbył na ANT-42 pierwszy lot, stwierdzając, że stateczność w locie jest dobra. Uzyskano prędkość maksymalną wynoszącą 370 km/h. Do 20 marca 1937 roku Gromow odbył 14 lotów próbnych, które wskazały na konieczność dopracowania konstrukcji. W ramach poprawek między innymi zmieniono układ chłodzenia. Wszystkie chłodnice zamontowano tylko w gondolach silników wewnętrznych, przechodzących w gondole podwozia, dzięki czemu gondole silników zewnętrznych stały się bardziej opływowe. Zamontowano też w kadłubie za kabiną pilotów sprężarkę centralnego doładowania ACN-2 z własnym silnikiem rzędowym M-100. System ten przewodem o średnicy 150 mm wtłaczał sprężone powietrze do wszystkich silników, co pozwalało na zachowanie wysokiej mocy na dużych wysokościach. Podczas dalszych prób prototypu na lotnisku Podlipki złamało się podwozie, lecz samolot naprawiono do 1 sierpnia.